CN209028383U - 一种二进制全光比较器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种二进制全光比较器，利用3个微环谐振器对特定波长的谐振特性，将微环谐振器作为开关使用，并与光波导巧妙组合，利用光学的方式来实现两个二进制数的比较，以实现计算机技术中的二进制比较运算，利用了光的自然特性代替传统的电学逻辑器件，避免了传统电学器件对信号的影响，实现了高速大容量的信息处理，提高了计算机的性能，降低了计算机的能耗；工艺方面实现了与CMOS工艺的兼容，使得器件的体积小，速度快，扩展性好以及低插入损耗特性，便于与其他器件的大规模集成。

Description

一种二进制全光比较器

技术领域

本实用新型涉及集成电路技术领域，尤其是涉及一种二进制全光比较器。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，芯片上的器件越来越小，单片集成度也就越来越高，这样计算机中的CPU可以获得更高的主频从而大大提高了计算机的比较速度，说明计算机的性能得到了质的飞跃。但是计算机主频的提高带来的最大的问题就是功耗急剧上升以及由此带来的散热和漏电问题，由此可见，集成电路的发展模式不能仅仅依靠摩尔定律所规定的路线发展。针对这一问题，科学家们从很早就开始着眼于研究新物理机理来提高计算机的性能，其中包括光子计算机、量子计算机等。从研究这些基本的逻辑单元开始，为实现新型计算机打下基础。

众所周知，光学比较器属于光学信号处理和光计算领域，将成为光计算中重要的逻辑器件。比较器是一种在数字电路中比较重要的逻辑单元，采用光学方法实现的比较器，相较于电路的实现方法，光学手段实现的优势在于:由于光的天然属性，被比较单元之间有着较好的独立性，并行性好，延时小，数据量大，提高计算机性能，这些都是电路方法所难于实现的。

然而，目前出现的光学比较器主要是基于非线性光学原理，它需要光学比较器在工作时有一束高强度的激光作为泵浦光，工作条件极为苛刻，不易实现。例如基于马赫-森德干涉全光逻辑运算比较器，基于半导体光放大器的全光逻辑比较器，基于光子晶体的全光逻辑比较器，他们的共同特点是功耗大、比较器尺寸大以及制作工艺方面不能与当前的CMOS工艺兼容，大规模的生产较为困难。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种二进制全光比较器，能与当前的CMOS工艺兼容，可以克服传统数值比较器出现的延时、降低插入损耗等问题。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种二进制全光比较器，包括第一微环谐振模块及第二微环谐振模块及耦合模块，所述第一微环谐振模块包括第一微环谐振器，所述第二微环谐振模块包括第二微环谐振器及第三微环谐振器，所述第一微环谐振器、第二微环谐振器及第三微环谐振器均包括硅基纳米线微环、输入光波导、直通光波导及下载光波导，所述第一微环谐振器的直通光波导及下载光波导分别于与所述第二微环谐振器及第二微环谐振器的输入光波导连接，所述第二微环谐振器的直通光波导及所述第三微环谐振器的下载光波导分别与所述耦合模块的输入光波导连接；

所述第一微环谐振器的输入光波导输入连续恒定光信号，所述第一微环谐振模块及所述第二微环谐振模块加载待比较的电压信号，所述耦合模块的输出光波导、所述第二微环谐振器的下载光波导及所述第三微环谐振器的直通光波导所输出的光信号共同组成比较结果信号。

可选的，所述第一微环谐振器、第二微环谐振器及第三微环谐振器均包括调制机构，所述调制机构为热调制机构或电调制机构。

可选的，所述待比较的电压信号通过所述调制机构作用于所述第一微环谐振模块及所述第二微环谐振模块，定义电压信号是低电平为逻辑‘0’，电压信号是高电平为逻辑‘1’；定义光波导有光输出时为逻辑‘1’，无光输出时为逻辑‘0’。

可选的，每个所述待比较的电压信号的各个逻辑值在时间上精确对齐。

可选的，每个所述待比较的电压信号对各自的微环谐振器的作用方式定义为：当电脉冲序列中出现逻辑‘0’时，微环谐振器在工作波长处谐振，光信号耦合到下载光波导输出；当电压信号中出现逻辑‘1’时，微环谐振器在工作波长处不谐振，光信号从直通光波导输出。

可选的，所述耦合模块为Y型分支耦合器，所述Y型分支耦合器包括两个输入波导及一个输出波导。

可选的，所述第一微环谐振器、第二微环谐振器及第三微环谐振器的谐振波长相同。

在本实用新型提供的二进制全光比较器中，利用3个微环谐振器对特定波长的谐振特性，将微环谐振器作为开关使用，并与光波导巧妙组合，利用光学的方式来实现两个二进制数的比较，以实现计算机技术中的二进制比较运算，利用了光的自然特性代替传统的电学逻辑器件，避免了传统电学器件对信号的影响，实现了高速大容量的信息处理，提高了计算机的性能，降低了计算机的能耗；工艺方面实现了与CMOS工艺的兼容，使得器件的体积小，速度快，扩展性好以及低插入损耗特性，便于与其他器件的大规模集成，在光子计算机中将发挥重要作用。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的二进制全光比较器的结构示意图；

图2是带硅基热光调制器的微环谐振器MRR的电极的结构示意图；

图3是带硅基电光调制器的微环谐振器MRR的电极的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本实用新型的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

如图1所示，所述二进制全光比较器包括第一微环谐振模块1及第二微环谐振模块2及耦合模块3，所述第一微环谐振模块1包括第一微环谐振器A，所述第二微环谐振模块2包括第二微环谐振器B1及第三微环谐振器B2，所述第一微环谐振器A、第二微环谐振器B1及第三微环谐振器B2均包括硅基纳米线微环、输入光波导、直通光波导及下载光波导，所述第一微环谐振器A的直通光波导13及下载光波导12分别于与所述第二微环谐振器B1及第二微环谐振器B2的输入光波导连接，所述第二微环谐振器B1的直通光波导16及所述第三微环谐振器B2的下载光波导分别与所述耦合模块3的输入光波导连接。

具体的，所述第一微环谐振器A，包括第一硅基纳米线微环00、第一输入光波导11、第一直通光波导13及第一下载光波导12，所述第一微环谐振器A带有调制机构30。第一输入光波导11作为所述二进制全光比较器的输入端口，用于输入预设波长的激光。第一直通光波导13，用于输出当所述第一微环谐振器A不满足微环谐振条件时的所述第一输入光波导11输入的激光；所述第一下载光波导12，用于输出当所述第一微环谐振器A满足微环谐振条件时的所述第一输入光波导11输入的激光。

所述第二微环谐振模块2包括所述第二微环谐振器B1和第三微环谐振器B2，所述第二微环谐振器B1包括第二硅基纳米线微环01、第二输入光波导15、第二直通光波导16、第二下载光波导17及第二输出光波导18，所述第二微环谐振器B1也带有调制机构30。所述第三微环谐振器B2包括第三硅基纳米线微环02、第三输入光波导19、第三直通光波导14及第三下载光波导20，所述第三微环谐振器B2也带有调制机构30。

所述第一微环谐振器A的第一输入光波导11输入恒定连续的光信号，所述第一微环谐振器模块1和第二微环谐振器模块2加载待比较的电压信号，待比较的两个电压信号分别通过所述调制机构30，作用于所述第一微环谐振器模块1和第二微环谐振器模块2，规定电压信号是低电平为逻辑‘0’，电压信号是高电平为逻辑‘1’；规定光波导有光输出时为逻辑‘1’，无光输出时为逻辑‘0’。待比较的两个电压信号对微环谐振器的作用方式定义为：当电压信号为逻辑‘0’时，微环谐振器处于波长谐振状态，光信号的输出从下载光波导进行；当电压信号中出现逻辑‘1’时，微环谐振器处于波长不谐振，光信号从直通光波导输出；规定待比较的两个电压信号的各个逻辑值在时间上精确同步。

所述耦合模块3为Y型分支耦合器，包括第四输入光波导21、第四输入光波导22及第四输出光波导23，所述耦合模块3的第四输入光波导21与第二微环谐振器B1的第二直通光波导16相连，第四输入光波导22与第二微环谐振器B2的第二下载光波导20相连。其中所述耦合模块3的第四输出光波导23、第二微环谐振器B1的第二输出光波导18和第三微环谐振器B2的第三直通光波导14的三个光波导所输出的光信号共同组成最终的比较结果信号，分别记作F(A＝B)光波导，F(A>B)光波导，F(A<B)光波导。所述比较结果信号可在输出光波导接入光电探测器从而直接读出计算结果。

本实施例中，所述第一微环谐振器模块1和第二微环谐振器模块2是所述二进制全光比较器的基本单元，采用的是由互不交叉的平行波导和一个硅基纳米线微环波导构成，因为在整个结构中没有波导交叉的出现，所以减少了由于波导交叉所带来的插入损耗以及串扰问题，提高了微环谐振器的性能。理论上，每个微环谐振器的谐振波长完全一致，3个微环谐振器和1个Y型分支耦合器均由波导构成，所述波导由绝缘体上的半导体材料制成。

进一步，所述恒定连续的光信号从第一微环谐振器A的第一输入光波导11输入，当光信号经过耦合区时，光信号会通过耦合作用进入第一硅基纳米线微环00中，第一硅基纳米线微环00中的光信号也会通过耦合作用进入第一下载光波导12中，对于满足谐振条件m×λ＝N_g×2π×R的光信号会被耦合到第一下载光波导12中，光信号从第一下载光波导12输出，对于不满足谐振条件的光信号会通过耦合区在第一直通光波导13进行输出。如图1所示，当所述第一微环谐振器A的输入光信号经过耦合区满足谐振条件m×λ＝N_g×2π×R时，此时光信号从第一下载光波导12进行输出经第三微环谐振器B2的第三输入光波导19，进入第三微环谐振器B2。当光信号经过第三微环谐振器B2的耦合区时，光信号会通过耦合作用进入第三硅基纳米线微环02中，第三硅基纳米线微环02中的光信号也会通过耦合作用进入第三下载光波导20中，对于满足谐振条件m×λ＝N_g×2π×R的光信号会被耦合到第三下载光波导20中，光信号从第三下载光波导20输出，对于不满足谐振条件的光信号会通过耦合区在第三直通光波导14进行输出。当第一微环谐振器A的输入光信号经过耦合区不满足谐振条件m×λ＝N_g×2π×R，此时光信号从第一直通光波导13进行输出经第二微环谐振器B1的第二输入光波导15，进入第二微环谐振器B1。当光信号经过第二微环谐振器B1耦合区时，光信号会通过耦合作用进入第二硅基纳米线微环01中，第二硅基纳米线微环01中的光信号也会通过耦合作用进入第二下载光波导17中，对于满足谐振条件m×λ＝N_g×2π×R的光信号会被耦合到第二下载光波导17中，光信号从第二下载光波导17输出，对于不满足谐振条件的光信号会通过耦合区在第二直通光波导16进行输出。

每个所述微环谐振器的环形波导上均设有调制机构30，所述调制机构30用于利用输入待比较的电脉冲信号调制所对应微环谐振器满足或不满足谐振条件，当输入的脉冲信号不满足微环谐振条件时，将输入的脉冲信号由微环谐振器的直通光波导输出，当输入的脉冲信号满足微环谐振条件时，将输入的脉冲信号由微环谐振器的下载光波导输出。所述调制机构30为硅基热光调制器或硅基电光调制器。

图2为带有硅基热光调制器的微环谐振器的电极，如图2所示，Si衬底上有SiO2层，SiO2层上有硅基光波导，在硅基光波导的上方铺设了一层发热电极，在发热电极的引线上施加电压，会有电流通过电极，该电极会产生热量通过辐射的方式改变硅基光波导的温度，从而改变环形波导的有效折射率，继而改变微环谐振器(MRR)的谐振波长。图3为有硅基电光调制器的微环谐振器的电极，如图3所示，它是依靠改变硅基光波导中载流子浓度来改变波导的折射率，硅基电光调制器的结构比硅基热光调制器的结构复杂，制作过程更简单，所以一般在高速系统中使用硅基电光调制，在对器件响应速度要求不高的场合采用硅基热光调制。

进一步，在第一微环谐振器A的第一输入光波导11输入处于工作波长的连续的光信号(CW)，然后分别对每个所述调制机构30加上调制电压以对每个硅基纳米线微环加热从而改变每个微环谐振器的谐振波长。假如每个微环谐振器在电压信号为高电平时的状态为逻辑‘1’，此时微环谐振器不谐振，电压信号为低电平时的状态为逻辑‘0’，微环谐振器谐振。假定输出端口有光输出时用逻辑‘1’表示，输出端口无光输出时用逻辑‘0’表示。所以电压信号经过第一微环谐振器A和第二微环谐振器B1及第三微环谐振器B2就分别有‘0’和‘1’两种状态，组合起来将有四种状态的输出。最终的每种状态，在三个输出端口14、18和23将有相应的光信号输出状态与之相对应，规定加载在第一微环谐振器模块1的调制机构30上的电平逻辑值为A，加载在第二微环谐振器模块2的调制机构30上的电平逻辑值为B，通过对三个输出光波导输出信号的测量实现对A、B之间关系的判定，下面结合图1对四种工作状态的工作过程分别进行说明：

第一种状态：当第一微环谐振器A的调制机构30加高电平(A＝‘1’)，第二微环谐振器模块2的每个调制机构30加高电平(B＝‘1’)，这时第一微环谐振器A和第二微环谐振器B1及第三微环谐振器B2都处于非谐振状态，由第一输入光波导11输入的光未经过第一微环谐振器A的第一下载光波导12，从第一直通光波导13输出到第二微环谐振器B1的第二输入光波导15，由于第二微环谐振器B1未谐振，所以光信号从第二直通光波导16输出，再输入到耦合模块3的第四输入光波导21，最后由耦合模块3的第四输出光波导23输出。此时，三个输出端口23(F(A＝B))，14(F(A<B))，18(F(A>B))中只有第四输出光波导23有光信号输出，其余两端口都为‘0’。即F(A＝B)＝1，F(A>B)＝0，F(A<B)＝0。

第二种状态：当第一微环谐振器A的调制机构30加高电平(A＝‘1’)，第二微环谐振器模块2的每个调制机构30加低电平(B＝‘0’)，这时第一微环谐振器A处于非谐振状态，第二微环谐振B1及第三微环谐振B2处于谐振状态，由第一输入光波导11输入的光信号未经过第一微环谐振器A的第一下载光波导12，从第一直通光波导13输出到第二微环谐振器B1的第二输入光波导15，由于第二微环谐振器B1谐振，光信号由第二硅基纳米线微环01耦合到第二下载光波导17并从第二输出光波导18输出，其余两个端口输出为‘0’。即F(A＝B)＝0，F(A<B)＝0，F(A>B)＝1。

第三种状态：当第一微环谐振器A的调制机构30加低电平(A＝‘0’)，第二微环谐振器模块2的每个调制机构30加高电平(B＝‘1’)，这时第一微环谐振器A处于谐振状态，第二微环谐振器B1及第三微环谐振器B2处于非谐振状态，由于第一微环谐振器A处于谐振状态，从第一输入光波导11输入的光信号由第一硅基纳米线微环00耦合到第一下载光波导12并输出到第三微环谐振器B2的第三输入光波导19，由于第二微环谐振器B2不谐振，所以光信号从第三直通光波导14输出，其余两个端口输出为’0’。即F(A＝B)＝0，F(A>B)＝0，F(A<B)＝1。

第四种状态：当第一微环谐振器A的调制机构30加低电平(A＝‘0’)，第二微环谐振器模块2的每个调制机构30加低电平(B＝‘0’)，这时第一微环谐振器A和第二微环谐振器B1及第三B2微环谐振器都处于谐振状态，由于第一微环谐振器A处于谐振状态，从第一输入光波导11输入的光信号由第一硅基纳米线微环00耦合到第一下载光波导12并输出到第三微环谐振器B2的第三输入光波导19，由于第三微环谐振器B2也处于谐振状态，第三输入光波导19输入的光信号由第三硅基纳米线微环02耦合到第三下载光波导20，最终进入与之相连的耦合模块3的第四输入光波导22，并由第四输出光波导23输出。其余两端口输出为‘0’，即F(A＝B)＝1，F(A>B)＝0，F(A<B)＝0。

所述二进制全光比较器输入的是待比较的二进制高低电平电信号，输出的是经过比较运算后的光信号，所述二进制全光比较器完成比较运算的真值表如下表1所示：

A	B	F(A＝B)	F(A>B)	F(A<B)
					1	1	1	0	0
1	0	0	1	0
					0	1	0	0	1
0	0	1	0	0

综上，在本实用新型实施例提供的二进制全光比较器中，利用3个微环谐振器对特定波长的谐振特性，将微环谐振器作为开关使用，并与光波导巧妙组合，利用光学的方式来实现两个二进制数的比较，以实现计算机技术中的二进制比较运算，利用了光的自然特性代替传统的电学逻辑器件，避免了传统电学器件对信号的影响，实现了高速大容量的信息处理，提高了计算机的性能，降低了计算机的能耗；工艺方面实现了与CMOS工艺的兼容，使得器件的体积小，速度快，扩展性好以及低插入损耗特性，便于与其他器件的大规模集成。

上述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不对本实用新型起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的技术方案的范围内，对本实用新型揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本实用新型的技术方案的内容，仍属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种二进制全光比较器，其特征在于，包括第一微环谐振模块及第二微环谐振模块及耦合模块，所述第一微环谐振模块包括第一微环谐振器，所述第二微环谐振模块包括第二微环谐振器及第三微环谐振器，所述第一微环谐振器、第二微环谐振器及第三微环谐振器均包括硅基纳米线微环、输入光波导、直通光波导及下载光波导，所述第一微环谐振器的直通光波导及下载光波导分别于与所述第二微环谐振器及第二微环谐振器的输入光波导连接，所述第二微环谐振器的直通光波导及所述第三微环谐振器的下载光波导分别与所述耦合模块的输入光波导连接；

所述第一微环谐振器的输入光波导输入连续恒定光信号，所述第一微环谐振模块及所述第二微环谐振模块加载待比较的电压信号，所述耦合模块的输出光波导、所述第二微环谐振器的下载光波导及所述第三微环谐振器的直通光波导所输出的光信号共同组成比较结果信号。

2.如权利要求1所述的二进制全光比较器，其特征在于，所述第一微环谐振器、第二微环谐振器及第三微环谐振器均包括调制机构，所述调制机构为热调制机构或电调制机构。

3.如权利要求2所述的二进制全光比较器，其特征在于，所述待比较的电压信号通过所述调制机构作用于所述第一微环谐振模块及所述第二微环谐振模块，定义电压信号是低电平为逻辑‘0’，电压信号是高电平为逻辑‘1’；定义光波导有光输出时为逻辑‘1’，无光输出时为逻辑‘0’。

4.如权利要求3所述的二进制全光比较器，其特征在于，每个所述待比较的电压信号的各个逻辑值在时间上精确对齐。

5.如权利要求4所述的二进制全光比较器，其特征在于，每个所述待比较的电压信号对各自的微环谐振器的作用方式定义为：当电脉冲序列中出现逻辑‘0’时，微环谐振器在工作波长处谐振，光信号耦合到下载光波导输出；当电压信号中出现逻辑‘1’时，微环谐振器在工作波长处不谐振，光信号从直通光波导输出。

6.如权利要求1所述的二进制全光比较器，其特征在于，所述耦合模块为Y型分支耦合器，所述Y型分支耦合器包括两个输入波导及一个输出波导。

7.如权利要求1-6中任一项所述的二进制全光比较器，其特征在于，所述第一微环谐振器、第二微环谐振器及第三微环谐振器的谐振波长相同。